超超臨界火電機組鍋爐集箱焊接質(zhì)量控制

馬汝坡，牛慶良，呂廣學(xué)

（電力工業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)研究所，浙江杭州310030）

超超臨界火電機組鍋爐集箱焊接質(zhì)量控制

馬汝坡，牛慶良，呂廣學(xué)

（電力工業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)研究所，浙江杭州310030）

根據(jù)12CrlMoVG焊接特性結(jié)合參與某電廠660MW超超臨界鍋爐集箱監(jiān)造工作的經(jīng)驗，對12CrlMoVG集箱管座制作過程中的焊接、檢驗和熱處理等關(guān)鍵點展開論述，制訂了監(jiān)造與檢驗的控制點。針對該電廠集箱制造過程中發(fā)現(xiàn)的管座角焊縫裂紋問題，進行了詳細分析。最后提出了針對性的優(yōu)化焊接工藝，為確保鍋爐集箱監(jiān)造工作的質(zhì)量提供參考。

12Cr1MoVG；焊接質(zhì)量；冷裂紋

0 引言

集箱是鍋爐的重要組成部分，一般由母管(筒體)、端蓋、接管座、附件等組成。集箱結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，母管上集中焊有大量管接頭，且各管接頭間距小，焊接時相互熱影響大，焊后應(yīng)力條件復(fù)雜，若焊接及熱處理工藝不合理，極易產(chǎn)生焊接裂紋。

某發(fā)電廠在建設(shè)2×660MW超超臨界火電機組時，發(fā)生1#機鍋爐低溫過熱器集箱管座角焊縫出現(xiàn)大面積裂紋，該類集箱為厚壁集箱，母管規(guī)格為Φ457× 80，管座規(guī)格為Φ90×15或Φ51×7，母管及管座材質(zhì)均為12Cr1MoVG，缺陷比例達到了40%。管座角焊縫裂紋不僅導(dǎo)致焊接接頭的有效承載面積降低，而且裂紋末端處應(yīng)力集中嚴(yán)重，隨著裂紋不斷擴展將導(dǎo)致焊縫提前失效，危害電廠安全運行。該批集箱被要求去除所有接管座，之后重新焊接。

本文對該項目集箱裂紋產(chǎn)生的原因進行綜合分析，提出有針對性的焊接質(zhì)量控制措施及檢驗和控制節(jié)點。

1 12Cr1MoVG鋼的基本特征及焊接性能

12CrlMoVG鋼是電站鍋爐制造業(yè)用量最大的低合金耐熱鋼，其組織結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，且具有較高的持久強度，主要用于制作高壓鍋爐壁溫≤580℃的過熱器管以及管溫≤570℃的集箱管、蒸汽導(dǎo)管和主蒸汽管等[1]。在其化學(xué)成分中，釩、鉻、鉬等合金元素為碳化物的形成元素，有析出強化作用，但隨著含量增大，再熱裂紋傾向增大。若預(yù)熱溫度偏低、焊接線能量偏大、焊縫強度偏高以及焊后熱處理不規(guī)范極易形成再熱裂紋[2]。此外，這些合金元素都具有一定的淬硬傾向，焊接及焊后熱處理工藝不當(dāng)會導(dǎo)致冷裂紋產(chǎn)生。

焊接性能是指材料在限定的施工條件下，焊接成按規(guī)定設(shè)計的要求的構(gòu)件，并滿足預(yù)定的使用要求的能力。焊接性能與材料的化學(xué)成分有著重要關(guān)系，材料中含碳、鉻、鉬、釩、硼等元素過高會增加材料的淬硬性，過低會降低材料的強度。12Cr1MoVG的公稱化學(xué)成分[3]見表1，用于制造該項目鍋爐集箱本體材料的化學(xué)成分見表2（注：數(shù)據(jù)來源于鍋爐制造廠材料復(fù)檢報告）。從復(fù)檢結(jié)果看，材料的化學(xué)成分符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

表1 12Cr1MoVG公稱化學(xué)成分%

表2 材料復(fù)檢報告所列化學(xué)成分%

工程中，常用鋼材的碳當(dāng)量判斷其淬硬傾向和冷裂紋敏感性。碳當(dāng)量值越大，鋼的冷裂紋敏感性越高，焊接性能越差。根據(jù)國際焊接學(xué)會IIW推薦的碳當(dāng)量計算公式Ceq=C+ Mn/6+（Cr+Mo+V）/5+（Ni+Cu）/15計算得出12Cr1MoVG的碳當(dāng)量Ceq=0.507%。根據(jù)經(jīng)驗，當(dāng)Ceq＞0.4%時，材料焊接性能較差，具有一定的冷裂傾向，為保證焊接質(zhì)量，必須焊前的預(yù)熱及焊后的熱處理等工藝措施。

2 裂紋原因分析

此次集箱管座角焊縫的裂紋大都分布在集箱母管焊縫的熔合線上，且嚴(yán)格沿熔合線擴展，沒有擴展到熱影響區(qū)，裂紋長度約5-15mm，深度約1-4mm，為環(huán)向裂紋，對裂紋缺陷部位進行觀察，發(fā)現(xiàn)大部分管座角焊縫成形較差，且存在咬邊現(xiàn)象，缺陷宏觀形貌如圖1所示。根據(jù)裂紋的形貌特征和分布規(guī)律，可確定該裂紋屬于焊趾裂紋。在該集箱存在裂紋部位進行金相分析，結(jié)果如圖2-圖5所示。

圖1 裂紋外觀形貌

圖2 集箱本體母材鐵素體+珠光體晶粒度6-7級200×

圖3 焊縫貝氏體200×

圖4 熱影響區(qū)貝氏體200×

圖5 裂紋200×

由圖2-圖4可見，母材、焊縫、熱影響區(qū)的組織均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。由圖5可見，裂紋沿焊縫金屬穿晶擴展，屬典型的冷裂紋形貌特征。

另外，經(jīng)過對焊接工藝執(zhí)行情況的深入調(diào)查，發(fā)現(xiàn)由于集箱焊接時天氣炎熱，焊工未嚴(yán)格按照焊接工藝的要求進行焊前預(yù)熱，氬弧焊打底預(yù)熱溫度僅為80℃左右，手工電弧焊預(yù)熱溫度僅為150℃左右，而且焊后未及時進行后熱消氫處理。

綜上分析，可基本判定12CrlMoVG集箱管座角焊縫裂紋性質(zhì)為冷裂紋，是由于焊前預(yù)熱溫度不夠，焊后未進行后熱處理，使焊縫冷冷卻速度過快，加之焊趾處應(yīng)力集中，導(dǎo)致焊縫局部開裂。

圖6 監(jiān)造控制流程圖

3 焊接質(zhì)量控制

焊接是保證鍋爐集箱質(zhì)量的關(guān)鍵工序。由于12Cr1MoVG鋼的焊接性能較差，焊接過程中的任一環(huán)節(jié)控制不好都會導(dǎo)致焊縫裂紋缺陷的產(chǎn)生。經(jīng)過多年的研究與應(yīng)用，應(yīng)該說12Cr1MoVG鋼的焊接工藝已經(jīng)非常成熟，在焊接工藝成熟的情況下，能否保證焊接工藝紀(jì)律的正確執(zhí)行是保證焊接質(zhì)量的關(guān)鍵。而焊工、熱處理人員是焊接工序的執(zhí)行主體，也是焊接管理中非完全可控因素，作為監(jiān)造方要加強焊接過程的監(jiān)督管理，督促焊接及熱處理人員嚴(yán)格按工藝施工。焊接過程中應(yīng)注意控制焊縫的成形質(zhì)量，焊縫成形應(yīng)平緩、圓滑過渡，尤其應(yīng)注意不要出現(xiàn)咬邊、成形突變等缺陷，以免產(chǎn)生應(yīng)力集中。

為了杜絕大面積焊接裂紋缺陷的再次發(fā)生，業(yè)主方要求開展駐廠監(jiān)造，對集箱制作進行全過程監(jiān)督。為此，項目監(jiān)造組制定了一系列重要的檢驗和控制節(jié)點（如圖6所示），并在監(jiān)造過程中嚴(yán)格實施。

3.1 材料檢查

管材入廠時，監(jiān)造工程師做好材料質(zhì)量證明書的文件見證工作，同時要求集箱制造廠按與業(yè)主方所簽訂的技術(shù)協(xié)議及GB 5310-2008《高壓鍋爐用無縫鋼管》標(biāo)準(zhǔn)進行材料外觀、尺寸檢驗及材料力學(xué)性能、化學(xué)成份的復(fù)檢工作。

對焊接材料，要根據(jù)焊接工藝評定要求選擇適當(dāng)焊材，保證焊材性能同母材匹配，合金元素含量與母材相當(dāng)，硫、磷等有害雜質(zhì)元素的含量低于母材含量等。同時要求制造廠進行復(fù)檢。

3.2 焊前檢查

焊前檢查主要包括焊接接頭型式和焊口清潔兩個方面。焊接接頭型式按設(shè)計要求，設(shè)計沒有明確要求的按相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)控制。焊口清潔要求將坡口及坡口兩側(cè)50mm范圍內(nèi)清理干凈，徹底清除氧化物、油污、水漬等影響焊接質(zhì)量的雜質(zhì)。

通過焊前檢查，消除由于雜質(zhì)、焊接坡口不合格等因素造成的焊縫氣孔、焊道成形不良、夾渣等缺陷。

3.3 焊前預(yù)熱

預(yù)熱的目的是減緩冷卻速度，降低焊縫金屬凝固時的應(yīng)變速率，避免產(chǎn)生硬脆的馬氏體組織，也可以減少因馬氏體轉(zhuǎn)變而產(chǎn)生的組織應(yīng)力，并減少焊縫金屬周圍金屬的溫差而減少熱應(yīng)力，特別是降低近縫區(qū)的應(yīng)力峰值[4]。

12Cr1MoVG 材料預(yù)熱溫度為200-250℃，當(dāng)采用鎢極氬弧焊打底時，可按下限溫度降低50℃。對于預(yù)熱方式，應(yīng)采用電加熱棒從管徑內(nèi)加熱，不推薦火焰燒烤方式。焊條按規(guī)范350℃保溫2h，冷卻到150℃時放入保溫筒。焊條受潮、烘焙不充分都會導(dǎo)致氣孔、冷裂紋等缺陷。

3.4 焊接參數(shù)

合理的焊接工藝參數(shù)是保證焊接質(zhì)量的關(guān)鍵。焊接電流過小會造成未焊透、夾渣及焊縫成形不良等缺陷，過大會產(chǎn)生咬邊、焊穿、增加焊件變形和熱裂紋等缺陷，同時會使焊接接頭的組織由于過熱而發(fā)生變化。焊接電壓過低會有粘連母材的傾向，過高會產(chǎn)生電弧現(xiàn)象明顯增加、飛濺增大等缺陷。為保證焊接質(zhì)量，避免焊工操作失誤產(chǎn)生的質(zhì)量問題，監(jiān)造人員應(yīng)當(dāng)對焊接過程實行旁站，嚴(yán)格控制焊接參數(shù)。同時加強焊工責(zé)任心培訓(xùn)，降低人為因素造成的焊接缺陷。

3.5 焊接過程

在焊接過程中要嚴(yán)格執(zhí)行焊接工藝規(guī)程，嚴(yán)格控制焊接線能量、層間溫度及焊層厚度，并做好層間打磨、清理工作[5]。

焊接過程嚴(yán)格執(zhí)行多道多層、窄焊道薄焊層的焊接方法；嚴(yán)禁焊接前隨意引弧，收弧位置逐漸斷弧。氬弧焊打底時，主管內(nèi)不得有穿堂風(fēng)。經(jīng)檢查合格后，應(yīng)及時進行次層的焊接。

控制層間溫度防止焊縫區(qū)域出現(xiàn)多次熱應(yīng)變。施焊過程中，層間溫度應(yīng)不低于規(guī)定的預(yù)熱溫度的下限，且不高于400℃。同一焊縫應(yīng)連續(xù)施焊，力求一次完成，不能一次完成的焊縫應(yīng)注意焊后的緩冷，再次焊接前必須重新進行預(yù)熱。打底焊時，熔敷金屬的厚度不能太薄，一般控制在2-3mm，以防止由于熔敷金屬界面積小，不能承受應(yīng)力而產(chǎn)生焊接裂縫[6]。多層焊時，每層焊道間的熔渣應(yīng)及時清除干凈，避免夾渣、未融合缺陷的產(chǎn)生。

3.6 焊后消氫處理

每道焊縫焊接工作結(jié)束后，必須立即進行消氫熱處理。消氫熱處理符合《火力發(fā)電廠焊接熱處理技術(shù)規(guī)程》標(biāo)準(zhǔn)要求。具體方法是將焊縫用石棉包覆，加熱至250-300℃，保溫15min，保溫工作結(jié)束后，緩慢冷卻。此次集箱焊縫出現(xiàn)大量裂紋的事故，制造廠未及時進行消氫熱處理也是主要原因之一。

3.7 熱處理

熱處理的目的是為了改善焊接接頭及熱影響區(qū)的組織和性能，消除殘余內(nèi)應(yīng)力，避免在運行中因內(nèi)應(yīng)力過大而產(chǎn)生裂紋，同時加快接頭中擴散氫的溢出，避免產(chǎn)生冷裂紋。消氫處理后，要盡快進行回火熱處理，采用整體爐內(nèi)加熱方式，由于12Cr1MoVG材料有一個敏感的溫度區(qū)，一般在500-700℃，600℃左右最為敏感[7]。因此，回火溫度控制在700-740℃，升溫速度≤100℃/h，保溫4h，之后控制降溫，降溫速度≤150℃/h，降溫至400℃時出爐自然空冷。

4 焊接及熱處理質(zhì)量檢驗

熱處理后，焊縫質(zhì)量檢驗包括焊縫外觀檢驗、無損檢測、硬度檢驗和光譜檢驗。

無損檢測在形狀尺寸和外觀檢查合格后進行。按NB/T 47013-2015對焊縫進行100%磁粉（MT）或滲透（PT）探傷，Ⅰ級合格。

硬度檢驗按照產(chǎn)品技術(shù)條件有關(guān)規(guī)定進行，母材硬度控制范圍為135-179HB。焊縫和熱影響區(qū)的硬度應(yīng)不低于母材硬度值的90%，不超過母材布氏硬度加100HB。

對焊縫金屬合金成分進行100%光譜分析復(fù)查，按照DL/T 991-2006《電力設(shè)備金屬光譜分析技術(shù)導(dǎo)則》進行。

5 結(jié)語

在電力建設(shè)過程中發(fā)現(xiàn)如此大量的鍋爐集箱裂紋缺陷是比較少見的，加強對電廠鍋爐集箱制造的監(jiān)造力度和安裝前的監(jiān)檢工作，是防止不合格材料、不合格產(chǎn)品流入使用，確保電站設(shè)備質(zhì)量和運行安全的有效措施和保證。

此次集箱裂紋大面積產(chǎn)生的原因是鍋爐制作人員在生產(chǎn)過程中未嚴(yán)格執(zhí)行焊接及熱處理工藝，以及焊接質(zhì)量檢驗不嚴(yán)格等，這也說明在超超臨界火電機組鍋爐的制造過程中，引入設(shè)備監(jiān)理單位并采用駐廠方式對設(shè)備材料、焊前預(yù)熱、焊接過程、焊后消氫處理、熱處理和焊接質(zhì)量檢驗等過程實施全過程監(jiān)督以保證設(shè)備質(zhì)量是必要的。

[1] 許小平，等.12Cr1MoVG過熱器管裂紋行為分析與控制[J].面腐蝕控制，2008，2(2)：31-33.

[2] 劉學(xué)迅.調(diào)峰機組集汽集箱管座及支座開裂的原因分析及處理[J].發(fā)電設(shè)備，2006，20(4):243-245.

[3] GB 5310.高壓鍋爐用無縫鋼管[S].北京:國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局，2008.

[4] 黃友洪.電站鍋爐集箱管座角焊縫裂紋分析及修復(fù)[J].建材與裝飾，2013，(40):73-74.

[5] 馬汝坡.A335P91管道材料的焊接[J].制冷空調(diào)與電力機械，2002，23 (3):24-26.

[6] 謝志慶.集箱管座角焊縫焊接的操作方法：中國，201110047870[P]. 2011.08.17.

[7] 周波，崔潤炯，郭元蓉，等.12CrlMoVG鋼大直徑厚壁鍋爐鋼管的熱處理工藝優(yōu)化[J].鋼管，2001，2(1):34-38.

[8] DL/T 868-2004，焊接工藝評定規(guī)程[S].北京：國家發(fā)展和改革委員會，2006.

修回日期：2016-11-22

Control of Welding Quality on Headers of the Ultra Super-critical Boilers

MA Ru-po，NIU Qing-liang，LV Guang-xue
（State Power Quality and Standard Research Institute，Hangzhou 310030，China）

According to the welding characteristics of 12CrlMoVG and the supervision work experience participate in the entire process of a 660MW ultra super-critical boiler,it is discussed that the characteristics of welding, testing and heat treatment of collecting header of 12CrlMoVG material in the production process, making control points of supervision and inspection. Aiming at the crack problems found in the process of supervision for socket fillet weld, it is carried on the detailed analysis. Finally it is put forward the optimization of welding process, to provide the reference for making boiler header.

12Cr1MoVG；welding quality；cold crack

10.3969/J.ISSN.2095-3429.2016.06.015

TG441.7

B

2095-3429（2016）06-0055-04

馬汝坡（1967-），男，河南汝南人，碩士，高級工程師，主要從事標(biāo)準(zhǔn)化、設(shè)備監(jiān)理、機械設(shè)計等技術(shù)研究及管理工作。

2016-10-30